CN104836437B - 一种用于双向dc/dc变换器中电感电流预测互补收敛控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，本发明方法采用电感电流预测互补控制，并结合稳态预测值对预测结果进行收敛运算处理，以使预测值向稳态预测结果收敛，通过预测值以及稳态预测值直接计算出相应开关管的控制占空比，并产生相应占空比的PWM波来控制相应的开关管，从而实现良好的电流控制效果。本发明方法能够快速稳定的控制DC/DC变换器电路中的电感电流值，动态响应速度快；本发明方法还能够直接通过输入电路参数来求开关管的占空比，静差小。

Description

一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制 方法

技术领域

本发明属于电力电子电路控制技术领域，具体涉及一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法。

背景技术

近年来，双向DC/DC变换器被广泛应用在电动汽车、UPS、微电网等场合。它能够实现能量的双向流动，可大幅度减小系统体积重量和成本，具有重要的研究价值。随着电力电子学的发展以及控制技术的不断成熟，针对双向DC/DC变换器的控制方法逐渐成为人们研究的热点。

目前针对双向DC/DC变换器的控制方法主要有PI控制、模糊控制。模糊控制具有不需要建立控制对象的数学模型，鲁棒性强等优点，然而它不能够实现在线调整，稳态精度不高。传统的PI控制虽然它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点，但是它仍具有响应速度慢稳定性弱；存在积分饱和现象，会使控制器失去调节作用，容易引发危险事故；参数整定困难，不易调节等缺点。因此对于系统控制方法的改进是相当重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，解决了现有技术中存在的动态响应速度慢、静差大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、在双向DC/DC变换器的电路中的(n-1)T_S时刻采样中断，得到(n-1)T_S时刻的电感电流值i_L(n-1)、低压电压源的电压值v_l、高压电压源的电压值v_h、(n-1)T_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n-1)，

其中，T_S为开关周期；

步骤2、通过公式(1)计算nT_S时刻的电感电流预测值

其中，L为电感值；

步骤3、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝0，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝1，转到步骤7；如果不成立，转到步骤4；

其中，i_Lref(n)为nT_S时刻电感上的电流给定值；

步骤4、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝1，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝0，转到步骤7；如果不成立，转到步骤5；

步骤5、将nT_S时刻电感上的电流给定值i_Lref(n)赋值给nT_S周期内电感电流的平均值即：

通过公式(1)中得到的电感电流预测值计算nT_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n)为：

其中，D_bt＝v_L/v_H，

nT_S周期内第一开关管S1的占空比D_bo(n)为：

D_bo(n)＝1-D_bu(n) (4)；

步骤6、根据公式(5)计算经过中值处理后的第二开关管S2的占空比D₂(n)：

其中，为nT_S周期内稳态时第二开关管S2的占空比；

由于双向DC/DC变换器工作在互补模式，第一开关管S1的占空比D₁(n)为：

D₁(n)＝1-D₂(n) (6)；

步骤7、产生占空比为D₂(n)的PWM波来控制第二开关管S2，产生占空比为D₁(n)的PWM波来控制第一开关管S1。

本发明的特点还在于，

得到步骤5中公式(3)的具体过程为：

在nT_S时刻开通第二开关管S2，电感电流线性下降直到关断第二开关管S2，此段时间内电感电流的减小量Δi_L-(n)为：

第二开关管S2开通期间，电感电流的平均值为：

关断第二开关管S2后，第一开关管S1开通，电感电流线性增加直到下一个周期，电感电流的增加量Δi_L+(n)为：

第一开关管S1开通期间，电感电流的平均值为：

一个周期内电感电流平均值为：

将式(11)改写为方程式(12)：

为了使方程有解并且方程的解必须在[0,1]区间内，因此必须满足式(13)：

方程式(12)的解为：

步骤1中双向DC/DC变换器的电路包括低压电压源v_l，低压电压源v_l的负极分别与高压电压源v_h的负极、第一开关管S1的发射极连接，高压电压源v_h的正极连接第二开关管S2的集电极，第二开关管S2的发射极分别连接第一开关管S1的集电极、电感L。

第一开关管S1和第二开关管S2均为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件。

本发明的有益效果是：①本发明方法不需要参数整定能够直接通过程序来控制主电路；②本发明方法动态响应速度快，满足稳定收敛；③本发明方法能够与各种电压外环相结合来构成双闭环控制系统；④本发明方法能够解决双向DC/DC变换器在模式切换过程中电感电流断续问题；⑤本发明方法避免了分别控制时的小电流下的电感电流周期内断续情况。

附图说明

图1是本发明双向DC/DC变换器的电路图；

图2是本发明双向DC/DC变换器工作在互补模式时的电路图；

图3是图2中电感电流波形和第一开关管S1、第二开关管S2的驱动脉冲图；

图4是本发明中电感电流预测互补收敛控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示为本发明双向DC/DC变换器的电路图，包括低压电压源v_l，低压电压源v_l的负极分别与高压电压源v_h的负极、第一开关管S1的发射极连接，高压电压源v_h的正极连接第二开关管S2的集电极，第二开关管S2的发射极分别连接第一开关管S1的集电极、电感L，第一开关管S1、第二开关管S2的驱动信号为互补模式，忽略死区的影响，变换器总是工作在CCM模式。

其中，第一开关管S1和第二开关管S2均为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件，图1中D_a1和D_a2分别为第一开关管S1、第二开关管S2的体二极管。

如图2所示为双向DC/DC变换器工作在互补模式时的电路图，取v_l到v_h为正方向，如图3(a)所示为图2中电感电流波形图，i_L(n-1)为上一时刻电感电流值，i_L(n)为这一时刻电感电流值，i_L(n+1)为下一时刻电感电流值，如图3(b)、(c)所示为图2中第一开关管S1、第二开关管S2的驱动脉冲，从图中可以看出第一开关管S1、第二开关管S2的驱动脉冲互补，当第二开关管S2导通时，第一开关管S1截止，电感电流减小；当第一开关管S1导通时，第二开关管S2截止，电感电流增加。

在nT_S(T_S为开关周期)时刻开通第二开关管S2，电感电流线性下降直到关断第二开关管S2，此段时间内电感电流的减小量Δi_L-(n)为：

第二开关管S2开通期间，电感电流的平均值为：

关断第二开关管S2后，第一开关管S1开通，电感电流线性增加直到下一个周期，电感电流的增加量Δi_L+(n)为：

第一开关管S1开通期间，电感电流的平均值为：

一个周期内电感电流平均值为：

将式(11)改写为方程式(12)：

为了使方程有解并且方程的解必须在[0,1]区间内，因此必须满足式(13)：

方程式(12)的解为：

一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，具体按照以下步骤实施，如图4所示：

步骤1、在双向DC/DC变换器的电路中的(n-1)T_S时刻采样中断，得到(n-1)T_S时刻的电感电流值i_L(n-1)、低压电压源的电压值v_l、高压电压源的电压值v_h、(n-1)T_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n-1)；

步骤2、通过公式(1)计算nT_S时刻的电感电流预测值

其中，L为电感值，T_S为开关周期；

步骤3、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝0，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝1，转到步骤7；如果不成立，转到步骤4；

其中，i_Lref(n)为nT_S时刻电感上的电流给定值；

步骤4、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝1，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝0，转到步骤7；如果不成立，转到步骤5；

步骤5、将nT_S时刻电感上的电流给定值i_Lref(n)赋值给nT_S周期内电感电流的平均值即：

通过公式(1)中得到的电感电流预测值代入方程式(12)得出的解(14)中，可以得到nT_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n)为：

其中，D_bt＝v_L/v_H，

nT_S周期内第一开关管S1的占空比D_bo(n)为：

D_bo(n)＝1-D_bu(n) (4)；

步骤6、由于电感电流瞬时值存在阶段性的跳变，其与给定的平均值存在一定的差值，故不能直接驱动开关管，需要通过偏移值处理，具体为：

当Δi_L+(n)＝-Δi_L-(n)时，可以保证i_L(n)和i_L(n+1)在nT_S阶段内是相等的，此条件可以得到nT_S周期内稳态时第二开关管S2的占空比D_bu2(n)为：

实际上，i_L(n)和i_L(n+1)是不相等的，通过“中值”处理可以得到：

由于双向DC/DC变换器工作在互补模式，第一开关管S1的占空比D₁(n)为：

D₁(n)＝1-D₂(n) (6)；

步骤7、产生占空比为D₂(n)的PWM波来控制第二开关管S2，产生占空比为D₁(n)的PWM波来控制第一开关管S1。

Claims (3)

1.一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、在双向DC/DC变换器的电路中的(n-1)T_S时刻采样中断，得到(n-1)T_S时刻的电感电流值i_L(n-1)、低压电压源的电压值v_l、高压电压源的电压值v_h、(n-1)T_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n-1)，

其中，T_S为开关周期；

步骤2、通过公式(1)计算nT_S时刻的电感电流预测值

${\hat{i}}_L\left(n\right)=i_L(n-1)+\frac{T_s}{L}\[v_l-D_{bu}(n-1)v_h\]---\left(1\right)$

其中，L为电感值；

步骤3、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝0，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝1，转到步骤7；如果不成立，转到步骤4；

其中，i_Lref(n)为nT_S时刻电感上的电流给定值；

步骤4、判断是否成立，如果成立，则nT_S周期内第二开关管S2的占空比D₂(n)＝1，第一开关管S1的占空比D₁(n)＝0，转到步骤7；如果不成立，转到步骤5；

步骤5、将nT_S时刻电感上的电流给定值i_Lref(n)赋值给nT_S周期内电感电流的平均值即：

${\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)=i_{Lref}\left(n\right)---\left(2\right)$

通过公式(1)中得到的电感电流预测值计算nT_S周期内第二开关管S2的占空比D_bu(n)为：

$D_{bu}\left(n\right)=1-\sqrt{1-D_{bt}+\frac{2L*\[{\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)-{\hat{i}}_L\left(n\right)\]}{v_h*T_s}}---\left(3\right)$

其中，D_bt＝v_L/v_H，

nT_S周期内第一开关管S1的占空比D_bo(n)为：

D_bo(n)＝1-D_bu(n) (4)；

步骤6、根据公式(5)计算经过中值处理后的第二开关管S2的占空比D₂(n)：

$D_2\left(n\right)=\frac{D_{bu2}\left(n\right)+D_{bu}\left(n\right)}{2}---\left(5\right)$

其中，为nT_S周期内稳态时第二开关管S2的占空比；

由于双向DC/DC变换器工作在互补模式，第一开关管S1的占空比D₁(n)为：

D₁(n)＝1-D₂(n) (6)；

步骤7、产生占空比为D₂(n)的PWM波来控制第二开关管S2，产生占空比为D₁(n)的PWM波来控制第一开关管S1；

步骤1中双向DC/DC变换器的电路包括低压电压源v_l，低压电压源v_l的负极分别与高压电压源v_h的负极、第一开关管S1的发射极连接，高压电压源v_h的正极连接第二开关管S2的集电极，第二开关管S2的发射极分别连接第一开关管S1的集电极、电感L。

2.根据权利要求1所述的一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，其特征在于，得到所述步骤5中公式(3)的具体过程为：

在nT_S时刻开通第二开关管S2，电感电流线性下降直到关断第二开关管S2，此段时间内电感电流的减小量Δi_L-(n)为：

${\mathrm{\Δi}}_{L-}\left(n\right)=\frac{1}{L}(v_l-v_h)*D_{bu}\left(n\right)*T_s---\left(7\right)$

第二开关管S2开通期间，电感电流的平均值为：

${\stackrel{\‾}{i}}_{Lon}\left(on\right)=i_L\left(n\right)+\frac{{\mathrm{\Δi}}_{L-}\left(n\right)}{2}=i_L\left(n\right)-\frac{1}{2L}(v_h-v_l)*D_{bu}\left(n\right)*T_S---\left(8\right)$

关断第二开关管S2后，第一开关管S1开通，电感电流线性增加直到下一个周期，电感电流的增加量Δi_L+(n)为：

${\mathrm{\Δi}}_{L+}\left(n\right)=\frac{1}{L}*v_l*\[1-D_{bu}\left(n\right)\]*T_s---\left(9\right)$

第一开关管S1开通期间，电感电流的平均值为：

${\stackrel{\‾}{i}}_{off}\left(n\right)=i_L\left(n\right)+{\mathrm{\Δi}}_{L-}\left(n\right)+\frac{{\mathrm{\Δi}}_{L+}\left(n\right)}{2}=i_L\left(n\right)+\frac{T_s}{L}\[\frac{v_l}{2}\left(D_{bu}\right(n)+1)-v_h*D_{bu}\left(n\right)\]---\left(10\right)$

一个周期内电感电流平均值为：

${\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)={\stackrel{\‾}{i}}_{Lon}\left(n\right)*D_{bu}\left(n\right)+{\stackrel{\‾}{i}}_{off}\left(n\right)*\[1-D_{bu}\left(n\right)\]---\left(11\right)$

将式(11)改写为方程式(12)：

$D_{bu}^2\left(n\right)-2*D_{bu}\left(n\right)+\[\frac{v_l}{v_h}-\frac{2L}{v_h*T_s}\[{\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)-i_L\left(n\right)\]=0---\left(12\right)$

为了使方程有解并且方程的解必须在[0,1]区间内，因此必须满足式(13)：

$i_L\left(n\right)+\frac{T_s}{2L}{v}_l\≥{\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)\≥i_L\left(n\right)-\frac{T_s}{2L}(v_h-v_l)---\left(13\right)$

方程式(12)的解为：

$D_{bu}\left(n\right)=1-\sqrt{1-D_{bt}+\frac{2L*\[{\stackrel{\‾}{i}}_L\left(n\right)-i_L\left(n\right)\]}{v_h*T_s}}---\left(14\right).$

3.根据权利要求1所述的一种用于双向DC/DC变换器中电感电流预测互补收敛控制方法，其特征在于，所述第一开关管S1和第二开关管S2均为携带反并联二极管或具有反并联二极管特性的可关断功率开关器件。